固态电池系列报告：锂金属负极

固态电池系列报告：锂金属负极 分析师：贺朝晖S0910525030003周涛S09105230500012025年9月25日 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 核心观点 u锂金属负极：固态电池能量密度突破的重要推手。锂电负极材料正经历从传统石墨向多元高能量密度体系的重大转型。锂金属负极理论比容量达3860mAh/g，远高于石墨（372mAh/g）和硅碳负极（3590mAh/g），且具备低电压平台特性。固态电池方面，全固态电解质凭借高机械强度抑制枝晶，与锂金属负极形成最优适配。 u技术挑战与突破路径。锂金属负极存在体积膨胀、锂枝晶问题、界面反应复杂、制备工艺难度高等关键瓶颈。近年来，针对于锂金属负极改善策略主要包括三维储锂基体限和集流体，电解液和添加剂，修饰隔膜和人造SEI等，这些策略从锂枝晶的生长原理和SEI组分出发，主要功能在于限制锂体积膨胀，降低离子流和表面电流密度，构建稳定和快离子传输的表面SEI。 u制备工艺：多路线并行，技术持续突破。锂金属负极的制备工艺是其实现产业化应用的核心支撑，目前行业形成了多路线并行、高低端场景分化的格局，主流工艺可分为成熟量产导向型（压延法）、高端技术突破型（蒸镀法）、前沿研发探索型（液相法、无负极方案）四大类。其中蒸镀法成本有望持续优化，成为全固态电池主流工艺。 u2030年对应市场空间近百亿元。目前锂金属负极市场主要由锂企、负极厂商、箔材厂商三类参与者，锂企凭借丰富的锂资源与金属锂产能，在原材料制备上具备成本和质量优势；负极厂商同时在硅碳负极、锂金属负极上进行布局。根据《中国固态电池行业发展白皮书(2025年)》预计到2030年全球固态电池出货量将达到614.1GWh，其中全固态比例近30%，基于此我们假设2030年锂金属负极假设渗透率20%，测算对应市场空间近百亿元。 u投资建议。建议关注锂金属负极的英联股份、天铁科技，此外关注赣锋锂业、璞泰来、亿纬锂能、国轩高科、德福科技、道氏技术等锂电产业链相关企业。 u风险提示：技术研发风险、原材料与供应链风险、路线迭代风险、政策监管风险。 目录 锂金属负极：固态电池能量密度突破的重要推手 技术挑战与改善策略研究进展 制备工艺：多路线并行，技术持续突破 市场格局：锂金属负极市场前景及产业链发展 相关标的 1.1锂金属负极推动固态电池能量密度提升 u负极方面，固态电池比传统锂电池更容易适配锂金属负极和硅碳负极，因为固态电解质由固态材料构成，具有较高的化学稳定性，对锂金属负极的锂枝晶的形成及硅的膨胀起抑制作用。 u采用锂金属负极能量密度最高、接近400Wh/kg。右图中，正极均采用100𝐀m厚的NCM811，4种不同电芯比较下，采用锂金属负极材料的固态电池能量密度最高。 传统锂电池和硫化物固态锂电池的电芯设计对比传统锂电池的石墨负极和硅碳负极硫化物固态电池的石墨负极和锂金属负极 1.2锂金属负极对比传统负极的优势 u由于传统石墨负极材料较低的理论比容量(372mAh/g )以及较高的电压平台，造成传统锂离子电池无法进一步突破其比能量瓶颈(260Wh/kg )。因此需要探索具有高理论比容量和低电极电势的负极材料，从而在电池材料体系上使电池达到更高的比能量，由于锂金属具有高理论比容量(3860mAh/g )和低电极电势(−3.04V vs SHE (standard hydrogen electrode))等特点将锂金属负极匹配过渡金属氧化物正极(LMO)构成锂金属电池时，其比能量可以提升到约440Wh/kg。在锂硫(Li-S)和锂氧(Li-O2)电池体系中，其比能量可以进一步分别达到~650和~950Wh/kg。高理论比容量给了锂金属负极更宽广的应用前景。 1.2锂金属负极对比传统负极的优势 u锂金属电池凭借锂金属负极极低的电化学还原电位和超过高的理论比容量，而被认为是最有潜力的下一代电池候选者，它有潜力将现有锂离子电池的能量密度提升一倍。金属锂是锂电池的理想负极材料，原因有三个：1）锂金属负极可提供最高的重力能量密度（单位质量可存储的能量）。2）通过将锂直接沉积在负极上，可大幅提高充电速率。3）有了合适的电解质，就可以设计出无负极结构电池，从而节省材料和制造成本，提高能量密度。 u锂负极材料最重要的特性是容量和电压，它们共同决定了电池的整体储能能力。关于电动汽车电池的负极，有三种主要的竞争者：石墨、硅和金属锂。金属锂在能量密度方面胜出一筹，但每种材料都各有优劣。 1.2锂金属负极对比传统负极的优势 u锂电负极材料正在经历从传统石墨向多元高能量密度体系的重大转型。除硅碳负极外，目前主流研发方向还包括锂金属负极、硬碳材料、自生成负极技术等，未来技术趋势将按应用场景分化发展。 u与传统石墨负极相比，锂金属负极具有更高的理论比容量（3.86Ah/g）和较低的电化学电位，被认为是最具潜力的负极材料之一。锂金属负极的应用可以显著提升固态电池的能量密度，使其在电动汽车、储能系统等领域具有广阔的应用前景。除此以外，锂金属负极还有充放电效率高，在固态电池中安全性强的特点。 u锂金属负极的“沉积-溶解”机制使其在充电过程中能够快速完成锂离子的嵌入和脱出。研究表明，在特定条件下，采用锂金属负极的电池能够在15分钟内将电量充至80%以上，远快于传统石墨负极电池，大大缩短充电时间，提升用户使用体验，满足未来快速充电的需求。 u在液态电池中，锂枝晶生成会刺穿SEI膜，导致锂持续消耗、电池循环寿命降低，严重时引发电池内部短路等安全隐患。而固态电池体系采用固态电解质，其机械强度高，能有效抑制锂枝晶的生长，使锂金属负极在固态电池中得以更好地适配，显著增强电池的安全性。 1.3锂金属负极存在技术瓶颈 u锂金属具有较高反应活性，容易与有机电解液反应生成Li2CO3、LiOH、Li2O、Li3N、LiF等无机产物18和ROCO2Li、ROLi、RCOO2Li (R是烷基官能团)等有机产物。这些反应会导致锂金属和电解液的利用率降低，并会伴随着大量的气体产生，容易引发锂金属电池的安全隐患。此外，锂金属的高活性和其表面SEI的锂离子扩散能垒较高会促进锂枝晶的形成。如下图所示，正是锂金属的不均匀沉积和枝晶生长引发了以上提到的诸多问题。 u锂金属作为电池负极的应用还面临金属锂负极对SEI的要求很高、锂枝晶生长、极大的相对体积变化以及上述问题相互作用造成多孔锂电极等重大技术瓶颈，锂金属负极的发展还有赖于技术进步改善应用瓶颈。 1.4硅碳负极：负极产业化的过渡选择 u因为锂电池负极存在诸多技术瓶颈，硅基负极作为锂金属负极和石墨负极之间的过渡产物被诸多企业布局研发。 2025~2027:石墨/低硅负极硫化物全固态电池:以200~300Wh/kg为目标，攻克硫化物复合电解质，打通全固态电池技术链，三元正极和石墨/低硅负极基本不变,面向长寿命大倍率应用。 2027~2030:高硅负极硫化物全固态电池:以400Wh/kg和800Wh/L为目标，重点攻关高容量低膨胀长循环硅碳负极，优化高镍三元复合正极和硫化物复合电解质，面向下一代乘用车电池应用。 2030~2035:锂负极硫化物全固态电池:以500Wh/kg和1000Wh/L为目标，重点攻关锂负极、高电压高比容量正极。 1.4硅碳负极：负极产业化的过渡选择 u硅碳负极采用纳米硅和石墨材料混合，通过降低硅基材料粒径至纳米级别，可以拥有较小的颗粒尺寸和更多的空隙，更容易缓冲硅在脱嵌锂离子过程中产生的应力和形变。此外，纳米颗粒可以缩短锂离子扩散距离，增加硅材料储锂能力。 u硅碳负极生产工艺核心难点在于纳米硅粉的制备，常见的纳米硅的生产工艺有镁热还原法、硅烷热解法、放电等离子法和机械研磨法。国内纳米硅粉的制备主要以机械研磨法为主，美国、日本等国家的企业对纳米硅粉的研究起步较早，日本帝人，美国杜邦等企业均可以用等离子蒸发冷凝法进行纳米硅粉的制备，目前国内等离子体法进展较快的企业为博迁新材，目前已经处于中试阶段。 当前负极材料研发布局 目录 锂金属负极：固态电池能量密度突破的重要推手 技术挑战与改善策略研究进展 制备工艺：多路线并行，技术持续突破 市场格局：锂金属负极市场前景及产业链发展 相关标的 2.1三维骨架改善锂金属负极问题 u佳锂金属负极由于其无基体转化反应的特性而存在无限体积膨胀的问题，针对于此类问题，研究者们设计多种三维导电骨架用于预储锂基体，三维导电骨架不仅可以限制锂的无限体积膨胀而且能够均匀化锂离子流，降低表面有效电流密度，从而抑制锂枝晶的生长。 u石墨烯复合基体。石墨烯的高电子电导率，结构稳定，密度低和易掺杂等优势。基于这些优点，石墨烯也可以被应用于金属锂的结构基体中来优化锂负极的稳定性、使其均匀沉积使用并生成稳定人工SEI表面。石墨烯作为储利用热熔融的方法将液态锂渗入到分层石墨烯基体中得到复合金属锂电极LirGO，该复合电极仍然具有3390mAh/g的比容量。 该复合电极中的石墨烯有以下作用：1)石墨烯可以作为一个稳定的金属锂限域骨架；2)热处理后的石墨烯表面具有亲锂性的含氧官能团，能够促进金属锂的均匀沉积；3)石墨烯层间表面可以作为一个稳定的人工SEI表面。在上述的设计优点下该Li-rGO复合电极表现出优异的电化学性能 (a)分层还原氧化石墨烯复合锂电极合成示意图(b)氮掺杂石墨烯诱导锂沉积过程示意图 2.1三维骨架改善锂金属负极问题 u碳纤维复合基体。由于稳定的三维骨架网络，优异的电子导通性质和高比表面积等优点及碳纤维的三维结构可以降低有效电流密度，减小锂成核过电势，限制金属锂的体积膨胀。 u多孔金属复合基体。由于高电子电导率和结构稳定性，三维多孔金属基体也被探索应用于预储存锂的基体或者锂电沉积的集流体以限制锂金属的无限体积膨胀和调控锂离子的沉积行为。 (a) Li-Ni复合锂负极的合成示意图·(b)多孔Cu纳米线的合成示意图 (a)Ag颗粒修饰碳纤维对诱导锂沉积行为示意图(b) Li@CC-CNTs复合电极合成过程示意图 2.2粉体材料改善锂金属负极问题 u复合金属基体主要集中于三维自支撑骨架，粉体材料则可用于储存和保护锂金属负极。粉体材料相对于三维自支撑骨架的优点主要在于其大面积合成制备工艺更加简单从而可以规模化制备复合锂金属负极粉体的多孔性和亲锂性质是其材料结构中的重要因素，并且可以通过设计合理的材料成分和结构来构建高离子扩散/电子传输动力学锂负极。 2.3全固态适配带来技术突破 u全固态适配。第二届中国国际固态电池技术产业化发展论坛赣锋锂业发表演讲，公布了其在固态电池材料、大容量固态储能电池及储能业务方面的进展。详细介绍了赣锋锂业在氧化物、硫化物固态电解质材料和304Ah固态储能电芯、储能系统等方面的具体进展。据介绍，赣锋锂业构建起的覆盖电池材料-电芯-电池箱（柜-储能集装箱-储能电力）解决方案的全链条产品布局和行业内唯一开展原材料、电芯、储能系统自主建设运营、电池回收的全产业链建设极大推进了锂金属负极的研发和应用。其储能电池产品累计对外交付量已超21GWh，自主投资建成及在建储能电站超过20GWh。 u锂金属负极应用的主要瓶颈是锂枝晶问题。在液态电池中，锂枝晶生成会刺穿SEI膜，导致锂持续消耗、电池循环寿命降低，严重时会刺穿电解质膜，引发电池内部失效。而固态电池体系能抑制锂枝晶发展，所以锂金属负极在固态电池中更适配。 2.4电沉积技术带来技术突破 电沉积技术原理是以预处理过的泡沫塑料为阴极,工业纯铝板为阳极,在烷基铝溶液中电镀制成泡沫铝。优点是孔隙结构良好、孔径小、孔隙均匀、孔隙率高,且其隔热和阻尼特性更优；缺点是工序长、操作繁琐、成本稍高，制品厚度有限。但近期出现突破，通过在超高压下原位电沉积电解质溶剂构建了稳定的电解碳基杂化（ECH）人工SEI，提高了离子导电性、机械强度、锂离子扩散均匀性、电解液与锂金属界面的稳定性，并抑制锂枝晶的生长和锂的粉碎。